LIÇÃO 5: INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS DA NATUREZA, PARTÍCULAS MEDIADORAS E O BÓSON DE HIGGS

APRESENTAÇÃO

Olá,

Agora vamos entender as interações que ocorrem na natureza.

Uma simples atividade chamada “passa-bola” vai nos ajudar a compreender como ocorrem as interações fundamentais.

No estudo de física de partículas, as forças comportam-se fazendo uma “troca” de partículas mediadoras. Isso acontece quando uma partícula exerce uma força sobre a outra.

Fonte: Portal do Professor / MEC

          Que tipo de interação está acontecendo na brincadeira?

O que ocorre durante a interação?Há troca de energia? Qual a função da bola para a brincadeira?

TEXTO-BASE

As partículas elementares constituem sistemas estáveis e como se desintegram interagem através de campos de força que leva a outra categoria de partículas, as chamadas partículas mediadoras das interações fundamentais da natureza, que geram muitas previsões teóricas e especulações para os cientistas.

O Modelo Padrão (MP) descreve as partículas elementares e as interações fundamentais que ocorrem entre elas. É possível descrever o mundo que nos rodeia apenas com os quarks up e down, o elétron e o neutrino do elétron, pois as outras partículas se desintegram com muita facilidade e se configuram como estas.

Por meio do MP é possível explicar os quatro tipos de interações fundamentais da natureza através de suas propriedades: a força eletromagnética (carga elétrica), a força forte (carga cor), força fraca (carga fraca) e a força gravitacional (massa), esta última ainda não comprovada experimentalmente.

Essas interações ocorrem com a “troca” de partículas entre si por meio de partículas mediadoras (ou virtuais) conhecidas como bósons. A interação eletromagnética ocorre por meio de fótons, a interação forte por meio de glúons, a interação fraca por meio das partículas Z e W (bósons de Gauge) e a interação gravitacional ocorre entre os grávitons (previstos teoricamente, mas ainda não detectado). Essas partículas são virtuais, por não terem massa, com exceção dos bósons de Gauge, mas possuem energia (pulsos de energia).

As partículas mediadoras criam quatro campos fundamentais: campo eletromagnético, campo forte, campo fraco e campo gravitacional, porém existe um quinto campo chamado campo de Higgs, mediado pela partícula chamada bóson de Higgs (em 1964, pelo físico inglês Peter Higgs, bem antes do MP), responsável por dar origem à massa das demais partículas, também conhecida como a “partícula de Deus”.

De acordo com a Revista Superinteressante, em uma reportagem de fevereiro de 2012 “A partícula celestial é uma popstar da ciência. Procurada há mais de 40 anos, chegou a ser chamada de "o Santo Graal" da física. Mas a fama veio mesmo quando o cientista Leon Lederman resolveu escrever um livro sobre ela. A intenção de Lederman não tinha nada a ver com canonizar a partícula idealizada por Petter Higgs em 1966. Muito pelo contrário. Tanto que o título que Lederman propôs para o livro foi The Goddamn Particle (A Partícula Amaldiçoada). Mas os editores acharam melhor transformar a revolta de Lederman com a dificuldade em encontrar a partícula em algo mais comercial. O livro saiu como The God Particle (A Partícula de Deus). E o apelido pegou. Agora "bóson de Higgs" está para "partícula de Deus" assim como Edson Arantes do Nascimento está para Pelé”.

A teoria de Higgs é muito complexa e muito ainda há pra ser analisado teórica e experimentalmente. O mundo das partículas elementares e das interações fundamentais ainda está sendo muito estudando e os limites da ciência desbravados no CERN/LHC só tendem a serem ampliados.

RECURSOS MIDIÁTICOS

1) Vídeo 1 “Ciência e Tecnologia - Bóson de Higgs”.

      2) Vídeo 2 “Anúncio da detecção do Bóson de Higgs”.

   

MATERIAL COMPLEMENTAR

Cientistas elegem a descoberta do bóson de higgs como o feito científico do ano 

A descoberta de uma particular física conhecida como Bóson de Higgs foi eleita pela revista Science como o achado científico mais importante de 2012. O Bóson explica como outras partículas elementares, como elétrons e quarks, ganham massa, e era a última peça que faltava para confirmar o modelo padrão, teoria que explica como as partículas interagem para formar a matéria do Universo.

O bóson de Higgs é uma partícula subatômica prevista há quase 50 anos. O Higgs é importante porque a existência dele provaria que existe um campo invisível que permeia o universo. Sem o campo, ou algo parecido, nada do que conhecemos existiria. Os cientistas não esperavam detectar o campo, mas sim uma pequena deformação nele, chamada bóson de Higgs.

As evidências da existência do Bosón de Higgs foram reveladas no dia 4 de julho, após dois detectadores identificarem sua presença no Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês), o maior acelerador de partículas do mundo. Segundo a revista, ainda não está claro qual o caminho que a física das partículas vai seguir após a descoberta, mas seu impacto na comunidade científica já é inquestionável.

Além de escolher a descoberta do Bóson como o feito mais importante do último ano, os editores do periódico científico elegeram outras nove descobertas de 2012, como o pouso da Curiosity, a leitura do DNA denisovano e as pesquisas com neutrinos. A lista foi publicada na edição de quinta-feira da revista Science.

No dia 4 de julho, cientistas do CERN confirmaram a existência do Bóson de Higgs, partícula teorizada há quase 50 anos. Ela explica como as outras partículas elementares, como elétrons e quarks, ganham massa. Além disso, a descoberta serve para confirmar o modelo padrão, que explica como todas as partículas interagem entre si para formar a matéria.

Adaptado de: <http://veja.abril.com.br/noticia/ciencia/cientistas-elegem-a-descoberta-do-boson-de-higgs-como-o-feito-cientifico-do-ano/>. Acesso em 03 de junho de 2015. 

QUESTÕES PARA REFLEXÃO

1) É interessante notar que além da pesquisa direta, o LHC criou o World Wide Web com o intuito de gerenciar os dados resultantes dos experimentos e outras tecnologias de ponta foram também desenvolvidas dentro do laboratório e repercutiram no meio social. O LHC passou por uma reforma, pois o próximo passo é a Teoria Grande Unificada que unifica as interações eletromagnética, fraca e forte, esse modelo prevê a existência de monópolos magnéticos, com energia da ordem de 10¹⁶ GeV até 10¹⁹ GeV, tendo também uma busca por outra teoria que unifique todas as interações fundamentais da natureza que é a Teoria das Super Cordas que prevê a existência dos grávitons, com energia acima da ordem de 10¹⁹ GeV. Que repercussões essas teorias podem gerar na sociedade? Discorra sobre suas finalidades.

2) Depois de anos de manutenção, em 2015 o LHC volta a operar e os novos experimentos vão gerar cerca de cinco vezes mais dados do que as colisões já feitas e devem ajudar também os cientistas a compreenderem melhor como o bóson de Higgs funciona. Os cientistas sabem que possuem excelentes teorias, mas algumas energias ainda não se completam. E para chegar ao até então desconhecido e gerar novas colisões, os físicos propõem o aumento de energia para abrir possibilidades de entender como a matéria se comporta. O aumento de energia nas colisões de partículas não pode estar gerando grandes impactos ambientais para o planeta e econômicos para a sociedade? Comente.

3) Uma partícula subatômica que custou mais de US$ 10 bilhões para ser identificada é um feito estrondoso para os cientistas do CERN, porém para muitas pessoas aparentemente não significa nada. E isso faz muita diferença, pois a ciência tem um impacto profundo na sociedade, influenciando culturas, vidas e economias. Como você acredita que os cientistas devem lidar com essas informações para o que o público entenda sua importância? Como a mídia pode contribuir (ou atrapalhar) para essa cobertura?

4) “De fato precisaremos de 100 a 500 anos de tecnologia no meio da física quântica para resolvermos o básico. Mas conseguiremos sim, tais desilusões. Não de uma só vez. Creio que tal modelo (o Modelo Padrão) pode se estender ao infinito. No entanto a nós é interessante a menos 99,999% de tudo, o demais é infinito-puro, e não se pode ‘alcançar’ o infinito. (Hyperscience, julho de 2013). Será que um dia o modelo padrão ficará completo? Comente.

        5) “O Prêmio Nobel de Física deste ano, concedido aos cientistas François Englert e Peter Higgs, é a coroação dos esforços pelo desenvolvimento do chamado modelo padrão da física de partículas, que explica como o mundo funciona na menor escala possível: a subatômica. Há décadas a Academia Real de Ciências da Suécia tem acompanhado - e premiado - os avanços na área. Faltava reconhecer a última peça, o bóson de Higgs, a partícula prevista há quase cinquenta anos e só confirmada no ano passado, em experimento realizado no LHC, o maior colisor de partículas do mundo.” (Veja, outubro de 2013). O que mudou após a identificação do bóson de Higgs?